机械毕业设计570电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器的设计.docx
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机械毕业设计570电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器的设计
摘要
汽车真空助力刹车系统中的真空泵，采用电子控制完成其工作，既实现了智能化，又达到了节能环保的目的。
电动真空泵系统可实现在真空度达到85kPa时，使真空泵的电机停止工作，在真空度低于60kPa时，使真空泵的电机开始工作，改善了传统的机械式真空助力刹车系统的能源浪费及环境污染问题。
本论文完成电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器的设计，主要包括控制器的原理设计、主驱动电路设计、信号采集及处理电路以及各种保护电路的设计等，并完成控制软件的编写。
根据相应的技术指标设计出一套完善的电动真空泵控制器，而且画出其原理图及PCB图，并进行PCB板的实物加工与制作。
关键词：
电动真空泵；无刷直流电机；控制器
Abstract
Vacuumboosterbrakesystemofcarvacuumpumpandelectroniccontroltofinishitswork,namelyrealizedintelligentandreachthepurposeofsavingenergyandenvironmentalprotection.Electricvacuumpumpsystemcanrealizeinthevacuumdegreeto85kPa,makethevacuumpumpmotortostopworking,andinthevacuumdegreebelow60kPa,makethevacuumpumpmotorbeginstowork,improvethetraditionalmechanicalvacuumpowerbrakingsystemenergywasteandenvironmentalpollution.Thisthesisfinishelectricvacuumpumpdrivewithbrushlessdcmotorcontrollerdesign,includingthecontrollerdesign,theprincipleofthemaindrivercircuitdesign,signalacquisitionandprocessingcircuitandotherprotectioncircuitdesign,andcompletethewritingofthecontrolsoftware.Accordingtothecorrespondingtechnicalindicatorsdesignedasetofperfectelectricvacuumpumpcontrollers,anddrawtheprinciplediagramandPCBfigure,andPCBmachiningandmakereal.
Keywords：
electricvacuumpump；brushlessDCmotor；controller
第1章绪论
1.1课题设计的背景及意义
从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。
近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现得越来越明显。
汽车制动系统种类很多，形式多样。
传统的制动系统结构型式主要有机械式、气动式、液压式、气—液混合式。
它们的工作原理基本都一样，都是利用制动装置，用工作时产生的摩擦热来逐渐消耗车辆所具有的动能，以达到车辆制动减速，或直至停车的目的。
伴随着节能和清洁能源汽车的研究开发，汽车动力系统发生了很大的改变，出现了很多新的结构型式和功能形式。
新型动力系统的出现也要求制动系统结构型式和功能形式发生相应的改变。
例如电动汽车没有内燃机，无法为真空助力器提供真空源，一种解决方案是利用电动真空泵为真空助力器提供真空，不仅如此，电动真空泵使用在燃油汽车上，一方面解决了能源的浪费问题，另一方面解决了环境污染问题，而且还实现了智能化。
因此汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。
传统内燃机轿车的制动系统真空助力装置的真空源来自于发动机进气歧管，真空度负压一般可达到0.05～0.07Mpa，但是这种机械式的制动系统真空助力装置，只要发动机运转就带动真空泵工作，这就带来了不必要的能源浪费及环境污染问题，为了解决这一问题，我们采用电子控制真空泵的驱动，为保证汽车的易操纵性和安全性，应采用合适的真空泵控制单元以及相应的驱动电机，根据对该真空泵试验分析和实际的汽车操纵需要，完成一套完善的控制系统。
结合国内外有关汽车真空助力刹车系统的资料，我们的汽车电动真空泵驱动用无刷直流电机作为动力的来源，采用该电机的专用芯片进行控制，整套控制器系统在降低系统自重、减少生产成本、控制系统发热、电流消耗、与整车进行匹配获得合理的制动特性，以及保证良好的制动效能等方面取得了重大的进步，电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器系统在操纵舒适性、安全性和节能等方面也充分显示了其优越性，其性能也得到用户的普遍认同。
研究与开发电动真空泵驱动控制器系统，是与汽车发展中的安全、环保、节能三大主题相吻合的，对提高我国汽车工业水平及缩小与汽车强国的差距，具有一定的现实和长远意义。
1.2课题的发展概况及国内外研究的现状
1.2.1课题的发展概况
随着真空助力制动系统的控制装置的发展，由最早的人力制动，通过机械的连接产生制动动作，发展到人力控制制动，通过踩制动踏板启动制动，再由传力装置把制动踏板力传到真空助力器，经过真空助力器的助力扩大后，传递到制动主缸产生液压力，然后通过油路把液压力传递到每个轮缸，开始制动。
随着清洁能源汽车和电动汽车的研究应用，以及电子技术在汽车上面的广泛应用，制动系统的控制装置也出现了电子化的趋势，其中电制动完全改变了制动系统的控制和管理，会使汽车制动系统发生革命性的变化，它采用电子控制，可以更准确、更高效率地实现制动。
电动真空泵的动力驱动来源于无刷直流电机。
现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。
自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。
尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。
电动真空泵采用电控无刷直流电机驱动，从控制到驱动彻底实现电子化，以电子集成系统完全控制气体的交换与传输，从而实现气体传输的可调性、精准性。
由于系统集成化，又不在使用发动机驱动加之主件，气泵采用微型真空泵，使整个体系真正意义上实现了微型化。
1.2.2国内外电动真空泵控制器的研究现状
随着当今车辆动力系统的多样化，直喷式、柴油机、混合动力或者全电动系统日益增加，因而，车辆所产生的真空大量降低。
这就要求制动系统能给电动真空泵发送“开/关”指令信号，以扩大真空或在真空耗尽时，提供额外功率的电平供车辆制动之用。
所以，及时了解已有的引擎真空量、并将该数据依次传送给制动控制器以产生足够的制动助力是至关重要的。
因此电动真空泵的控制器的优良至关重要。
CC在国产B级车中率先装备了智能驾驶辅助系统等智能配置，在驾驶中最大程度提高了舒适性和安全性，安心随意，轻松自如。
全系标配的双放大系数电动真空刹车助力器，让行车操控更加便捷高效。
可以说，它既是高档的舒适性装备，降低驾驶操作的复杂程度，大幅减轻驾驶疲劳；又是先进的主动安全系统，提醒和帮助驾驶员避免不必要的麻烦，融舒适与安全为一体。
美国密歇根州利沃尼亚市2011年4月14日电/美通社亚洲/--全球汽车安全系统的领先者美国TRW汽车集团（纽约证交所代码TRW）今天宣布，将推出新型真空传感器用于监测与报告制动助力器中的真空可用量。
这对电动真空泵精度的控制起到关键性的作用。
法国的野外电动真空泵给野外土壤取样带来很多方便，它非常轻，且储电量大，在15秒内即可获得真空。
可以大大提高工作效率，降低费用。
可与SPS200连用进行土壤溶液取样。
博世专为新能源汽车开发再生制动系统，以真空为基础的制动助力器，汽车的制动助力器利用真空增强驾驶员施加的制动力。
真空通常由内燃机或者真空泵来制造。
但是混合动力车会经常关掉内燃机，而电动车根本就没有内燃机。
因此，这些汽车只能使用真空泵或者独立真空制动系统。
据介绍，该再生制动系统以第九代ESP为基础，是一种非常高效的制动方案。
在以采用电动真空为基础的制动助力器的混合动力和电动车上，ESPhev协调内燃机和液压制动力矩，同时控制真空泵。
这款产品已经在一款后轮驱动及前/后轴制动管路分布的混合动力车型上实现了量产。
业内专家一致认为，电动真空泵是真空获得设备发展的方向，也是真空获得手段的“尖端”技术，我国的真空泵产业必须在此领域有所作为，首先进入食品、化工、医药等行业。
经过这些市场的培育和锻炼，进而打入半导体行业，才能使整个行业与时俱进的发展。
引进国外先进技术，提升我国产品的科技含量在其他行业有成功的经验。
在发展真空获得设备的高端产品中引进国外技术，并很好的消化吸收，将快速改变我国产品技术含量低、质量和技术水平不能满足市场需求的现状。
但在引进国外技术，应特别注意两点：
一是重在消化吸收，在此基础上培育企业的自主知识产权和创新能力。
二是不要重复盲目引进，要瞄准国际上当代最新技术，避免引进一代，落后一代。
引进国外技术不是目的，而是手段，通过引进技术最终打造国产自主品牌！
1.3本文研究的主要内容
结合电动真空泵的特点:
1、驱动模式采用电控无刷直流电机驱动，改善了传统意义上的机械驱动；
2、可以精确的控制真空罐内的压力保持在一定范围内；
3、泵体自带控制板，所有操作通过电子控制完成，同时可配备数码显示，直观精准。
4、体积小、重量轻、节能环保。
完成以下基本内容：
1、分析电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器系统的方案设计；
2、电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器系统的原理设计、主驱动电路设计、信号采集及处理电路以及各种保护电路的设计；
3、完成电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器系统的原理图，并绘制PCB图及其源程序的编写。
第2章电动真空泵控制器的系统设计
2.1电动真空泵控制器的组成
该电动真空泵控制器系统是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机系统。
位置检测器检测转子磁极的位置信号,控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号,开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件,将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组,使电动机产生持续不断的转矩。
现对电动真空泵控制器系统的各组成部分的说明如下：
1、电机本体
无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机，不同的是将直流电动机的定子、转子位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。
原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。
所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。
由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机。
定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同，铁心中嵌有多相对称绕组。
绕组可以接成星形或三角形，并分别与逆变器中的各开关管相连，三相无刷直流电动机最为常见，本课题研究设计用到的部分为星形永磁无刷直流电机。
2、驱动电路
目前，无刷直流电动机的功率驱动主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路已有集成的功率模块（PIC）和智能功率模块（IPM），选用这些模块可以提高系统的可靠性。
本处采用的是STP140NF75功率MOSFET管，独特“单一的功能Size™”带为基础的进程。
由此产生的晶体管，显示了极高的密度和坚固耐用的特点，再加上100%的雪崩测试，因此，其有卓越制造的可重复性，方便设计与应用。
3、信号电路
对于本设计的研究内容，信号电路可分为电机转子转角信号、转速信号、母线电流信号、母线电压信号、电机温度信号、机油温度信号、CAN总线、串口通信等信号处理，通过这些信号来更好的完成无刷直流电机的控制，实现其智能化。
4、保护电路
无刷直流电机控制器共有两种保护电路，一种是软件保护，单片机将各种信号采集过来以后对其进行处理并与预算值进行比较，如果信号值有危险趋向，单片机将发出暂时停止工作的命令，稍等片刻后继续工作，从而保护电机的安全。
另一种是硬件保护电路，在各个信号送往单片机进行计算的同时，他们还送往运放比较器，通过与预算出的值比较送出信号给锁存器，如果信号值超过预算值，比较器将输出高电平给锁存器触发RS触发器，同时保持信号源并对单片机复位处理和切断PWM信号，再硬件保护后，只能通过一个按键来对RS触发器复位，从而重新启动控制器。
本设计采用前者完成控制器的保护工作。
2.2电动真空泵控制器的设计方案
2.2.1设计方案比较
无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好，以及异步电动机结构简单无需维护的优点，因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。
在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。
目前，数字调速系统主要采用两种控制方案:
一种采用专用集成电路。
这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。
另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。
这种方案可以编程控制，应用范围广，且灵活方便。
电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能:
对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号；产生PWM脉宽调制信号，实现电机的调速；实现短路、过流、过/欠压等故障保护功能。
控制器是电动真空泵的驱动系统，它是电动真空泵的大脑。
其主要作用是在保证电动真空泵正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池，以及降低电动真空泵在受到破坏时的损伤程度。
根据下表，可以看出，无刷直流电机更适于用作本控制器的驱动源。
目前，市场上常用的电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器，其主要采用专用集成电路为主控芯片，像MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，
表2-2-1无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较
项目
无刷直流电动机
有刷直流电动机
换向
借助转子位置传感器实现电子换向
由电刷和换向器进行机械换向
维护
由于没有电刷和换向器，很少需要维护
需要周期性维护
寿命
比较长
比较短
机械（速度/力矩）特性
平（硬）在负载条件下能在所有速度上运行
中等平（中等硬）。
在较高速度上运行时，电刷摩擦增加，有用力矩减小
效率
由于没有电刷压降，所以效率高
中等
输出功率/外形尺寸之比高
由于电枢绕组设置在与机壳相连的定子上，容易散热。
这种优异的热传导特性允许减小电动机的尺寸，所以输出功率/外形尺寸之比高
中等/低。
电枢产生的热量消散在气隙内，这样增加了气隙温度，从而限制了输出功率/外形尺寸之比
速度范围
比较高。
没有电刷/换向器给予的机械限制
比较低，存在电刷给予的机械限制
电气噪声
低
电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干扰
制造价格
比较高
低
控制
复杂和价格贵
简单和价格不贵
控制要求
为了使电动机运转必须要有控制器，但同样的控制器可用于变速控制
对于一个固定的速度而言，不需要控制器；有变速要求的时候才需要控制器
其针对无刷电机的控制要求，将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟式控制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向，根据电机内的位置传感器（霍尔传感器）信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。
该控制系统的缺点是智能性差，保护措施有限，系统升级空间小。
本设计采用Microchip公司的dsPIC30F4011单片机作为主控芯片，可以方便地实现控制程序的在线修改与烧写，并带有写保护编程功能。
用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能的灵活性，通常将此类控制器称为数字式控制器。
无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。
在有位置传感器的控制方法中，现今，由于霍尔传感器性价比高，安装方便，被广泛应用作为无刷直流电机的位置传感器。
当前，国内外对无刷直流电机无位置传感器的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法、续流二极管检测法、脉冲检测法、神经网络控制法等。
但是由于无位置传感器控制方法在低速时无法实现精确的速度调制，所以现阶段在电动车领域只是处于研究阶段，无法推广到工业生产当中。
故本设计中采用霍尔传感器作为无刷直流电机的位置传感器。
2.2.2电动真空泵控制器系统组成框图
基于2.1节的考虑,可绘出电动真空泵控制器系统框图,如图2-2-1所示:
图2-2-1电动真空泵控制器系统框图
（1）微控制器
主要功能是根据电动机旋转方向的要求和来自霍尔转子位置传感器的三个输出信号，将它们处理成功率驱动单元的六个功率开关器件所要求的驱动顺序。
微控制器的另一个重要作用是根据电压、电流和转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过AD变换和必要的运算后，借助内置的时钟信号产生一个带有上述各种信息的脉宽调制信号。
即PWM控制，再根据PID算法计算后得出驱动电流和驱动转速的值。
（2）门极驱动和功率驱动单元
门极驱动电路采用专门的集成模块（FAN7888）高性能驱动集成电路，比于分立式自举电路而言，采用集成模块最大的优点是使电路简单清晰明了；功率驱动单元由功率开关器件（STP140NF75）组成的三相全桥逆变电路构成。
（3）霍尔位置传感器
该位置传感器在无刷直流电动机中起到测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，保证无刷直流电机的正常运行。
（4）周边辅助控制、保护电路
主要有过流保护控制、过/欠压保护控制、母线电流采样电路、母线电压采样电路、转速信号、真空度采样和电机及机油温度等信号输入电路。
（5）系统电源
该系统的总电源是由24V可充电蓄电池提供，然后由LM7815三端1.5A正电源稳压电路转换成15V，给门极驱动电路供电；与此同时，再由24V电源经过LM2596T-5.03A开关型降压稳压器转换成5V，给微控制器提供电源，而且还为门极驱动芯片提供开关电源。
第3章电动真空泵控制器的硬件及软件设计
3.1微控制芯片的选取与设计
3.1.1dsPIC30F4011单片机简介
dsPIC30F4011单片机是Microchip公司推出的，性价比介于16位单片机、32位单片机及DSP中低档机之间的一款高性能数字信号控制器。
dsPIC30F4011单片机采用16位（数据）改进型——非流水线的哈佛RISC结构，芯片具体结构如图3-1-1所示。
程序计数器（PC）为24位宽，可以寻址4M×24位的程序存储器空间。
dsPIC30F4011单片机有16个16位的工作寄存器（W0～W15）。
图3-1-1dsPIC30F4011内部框图
每个工作寄存器都可以作为数据、寻址或移位寄存器来操作。
其中，第16个工作寄存器（即W15）作为中断和程序调用的堆栈指针。
dsPIC30F4011单片机指令字是24位的，其指令系统有很大的增强，最大特点就是包含了对DSP的支持。
因为这种DSP引擎具有1个高速的16位与16位相乘的乘法器、1个40位的ALU、2个40位的饱和累加器（saturatingaccumulator）以及1个40位的双向移位器，因而能够明显提高芯片算法能力和周期。
因此，这种芯片的指令系统就分成两大类——单片机类和DSP类。
这种指令系统基于高效的C编译器，支持固有寻址（无操作数）、相对寻址、立刻寻址、存储器寻址、寄存器直接寻址、间接寻址和移动寻址7种方式。
每条指令都同预先定义的寻址方式有关，而这些预定义的寻址方式是由特定功能需求决定的，且每条指令都支持这7种寻址方式。
对于大多数指令，dsPIC30F4011单片机在每个指令周期能够执行数据（或程序数据）存储器读操作、工作寄存器（数据）读操作、数据存储器写操作以及程序（指令）存储器读操作。
因此，它可以支持3操作数的指令，比如，在一个周期内可以完成A+B=C的操作指令，dsPIC30F4011单片机的数据空间被一分为二，分别以X和Y数据存储器进行引用，可以作为32K字（word）或64KB（byte）进行寻址。
每个存储器块都有自己独立的地址产生单元（AGU）。
单片机类的指令仅单独通过X存储器的AGU单元进行操作，把整个存储器作为一个线性的数据空间进行寻址。
而DSP类指令的乘法累加器（MAC）是通过X和Y的AGU共同操作的，这样就将数据地址空间分成相对独立的两部分。
不过，这样的X和Y的数据空间边界是任意的，且是由芯片自身特性决定的。
数据空间存储器高位的32KB，通过定义8位程序空间可见页面寄存器PSVPAG（ProgramSpaceVisibilityPage），任意的16位程序字边界中随意地被映射到的程序空间低位（用户空间），这样就使得任何指令能够像访问数据空间一样访问程序空间。
不过，采用这种方式访问的执行时间比一般的访问方式要多一个周期。
而且，只有每条指令字的低16位才可以使用这种方法访问。
此外，dsPIC30F4011单片机还有一个特征，就是含有由61个区分优先级的向量组成的矢量异常处理结构，这些异常情况包括复位（RESET）、6个捕捉以及54个中断。
由此看来dsPIC30F4011单片机的开发有助于缓解16位单片机和低端数字信号处理器之间的性能差，是传统16位单片机应用的理想解决方案。
与此同时，随着控制技术日趋复杂化，越来越多的工业系统要使用DSP精确控制实时响应，以及现有产品要求增加更多功能，以增强I/O易用性和安全接入，dsPIC必将在高性能数字信号控制器市场占据重要一席之地。
同时，随着多种DsPIC产品系列的不断迅速开发，以及愈加完善的开发工具、应用系统库、现场应用工程技术和综合技术等的产品，DsPIC一定会得到广大用户的青睐。
3.1.2dsPIC30F4011单片机时钟电路
时钟发生器为dsPIC30F4011芯片提供时钟，由一个内部振荡器和锁相环电路（PLL）组成.时钟发生器需要一个参考输入时钟，可以通过在dsPIC30F4011的引脚OSC1与OSC2之间连接一晶体,启动内部振荡器。
当然,也可以不使用片内的振荡电路,完全由外部有源晶体振荡器产生时钟信号,直接接入OSC1/CLKI引脚,此时,OCS2脚悬空。
但这一方式仍然使用片内的PLL倍频电路对这一来自片外的时钟进行倍频。
当使用外接晶体的方式启动单片机内部振荡电路时,由于时钟信号电平由dsPIC30F4011内部的振荡电路决定,因此不存在信号电平与dsPIC30F4011电平匹配的问题,且晶体价格较低。
但是它的精度差,而且需要配置好周边电路，当更换不同频率的晶体时周边配置电路亦需要做相应的调整。
当采用完全由外部有源晶体振荡器产生时钟信号这一方法时,不需要复杂的配置电路,连接简单，容易起振，且稳定性好，但是需要选择好合适的输出电平，且价格较高。
dsPIC30F4011对时钟的要求，主要是能持续稳定地输出没有毛刺的时钟。
由于单片机及其它芯片工作都是以时钟为基准的，如果时钟质量不高，那么系统的可靠性、稳定性就很难保证。
所以在选用晶振时应重
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